هندسه شکاف (ماده واشر و گشتاور گیره) چگونه بر زمان شروع خوردگی شکاف بر روی لوله های گرمایش تیتانیوم در حوضچه های تبخیر نمک تأثیر می گذارد؟

حوضچه های تبخیر نمک برای تولید کلرید سدیم، کلرید پتاسیم و سایر نمک ها از آب نمک در دمای 40{4}}60 درجه و غلظت کلرید از اشباع (حدود 26 درصد NaCl) تا فوق اشباع با رسوب کریستال های نمک کار می کنند. لوله های حرارتی تیتانیومی برای حفظ دمای تبخیر و جلوگیری از تبلور سطوح انتقال حرارت استفاده می شود. با این حال، حالت شکست غالب، خوردگی شکاف در اتصالات لوله-به ورق لوله، زیر واشرها و اتصالات زیر گیره است. برخلاف بسیاری از مشکلات خوردگی تیتانیوم که عمدتاً تابعی از شیمی آلیاژ یا ضخامت دیواره هستند، زمان شروع خوردگی شکاف در سرویس تبخیر نمک به طور قابل توجهی تحت تأثیر پارامترهای طراحی مکانیکی مانند هندسه شکاف (عرض و عمق شکاف) و مواد واشر و گشتاور گیره قرار می گیرد. این مقاله تأثیر این متغیرها را بر زمان شروع شکاف ارزیابی می‌کند و پیشنهادهای طراحی برای افزایش عمر بخاری در سرویس حوضچه نمک ارائه می‌کند.

مکانیسم خوردگی شکاف در آب نمک کلرید اشباع.
آب نمک کلرید سدیم اشباع یا نزدیک به اشباع در دمای 50 درجه به دلیل غلظت کلرید (حدود 4/5 مولار کلر{2}}) و قدرت یونی بالا در محلول حجیم بسیار تهاجمی است. اما تیتانیوم در آب نمک فله غیرفعال است، زیرا pH پایینی در ارتباط با محتوای کلرید بالا وجود ندارد. شرط کلیدی برای خوردگی شکاف، گرسنگی اکسیژن در شکاف است. انحلال آندی تیتانیوم Ti{6}} تولید می‌کند که هیدرولیز می‌شود و H را تشکیل می‌دهد در نتیجه pH داخل شکاف با کاهش اکسیژن به 2-3 کاهش می‌یابد. برای آب نمک کلرید اشباع، یک کاهش جزئی در pH منجر به شرایطی می شود که در آن تیتانیوم نمی تواند دوباره فعال شود و خوردگی شکاف به سرعت منتشر می شود.

زمان شروع، به عنوان مثال، زمان قبل از شروع حمله مداوم شکاف، به نرخ تخلیه اکسیژن و نرخ افت pH به زیر آستانه repassivation مربوط می شود. هر دو توسط هندسه شکاف، نفوذپذیری مواد واشر به اکسیژن و فشار تماس بین واشر و سطح تیتانیوم کنترل می شوند.

اثرات عرض شکاف شکاف
از میان پارامترهای هندسی، مهم ترین آن، عرض شکاف بین لوله تیتانیومی و سطح مقابل (ورق لوله، واشر یا گیره) است. برای یک عرض شکاف خاص، سرعت انتشار اکسیژن در شکاف با مکعب شکاف متناسب است (قانون فیک برای یک کانال باریک). شکاف های بزرگتر امکان پر کردن اکسیژن را فراهم می کند که تخلیه را به تاخیر می اندازد و زمان شروع را طولانی می کند. شکاف های کوچکتر منجر به کاهش بیشتر اکسیژن می شود.

بررسی کنترل‌شده نمونه‌های تیتانیوم درجه 2 با شکاف‌های مصنوعی با عرض شکاف کنترل‌شده، در NaCl اشباع در دمای 50 درجه، pH 7.0، زمان‌های شروع زیر را نشان می‌دهد (زمان حمله قابل مشاهده با بزرگنمایی 10 برابر):

در عرض شکاف 0.05 میلی‌متر (معمولاً واشر PTFE خوب-در برابر فلنج ماشینکاری شده) کاهش اکسیژن در 24-48 ساعت اتفاق می‌افتد و حمله شکاف در 50-100 ساعت شروع می‌شود. در عرض شکاف 0.10 میلی متر شروع در 200-300 ساعت رخ می دهد. در عرض شکاف 0.25 میلی متر، شروع به 500 تا 1000 ساعت ادامه می یابد. انتشار اکسیژن اجازه می دهد تا انفعال حفظ شود و از این رو هیچ حمله شکافی در عرض شکاف 0.50 میلی متر پس از 5000 ساعت شناسایی نمی شود. در عرض شکاف بیش از 1.0 میلی متر، هندسه دیگر یک شکاف نیست، بلکه یک شکاف باز است. هیچ حمله ای صورت نمی گیرد.

در عمل این بدان معنی است که شکاف های بسیار تنگ (کمتر از 0.1 میلی متر) خطرناک ترین هستند. طراحان باید شکاف ها را بیشتر از 0.5 میلی متر (واشر ضخیم یا ایستاده) ایجاد کنند یا شکاف ها را حذف کنند (مفاصل جوش داده شده).

اثرات عمق شکاف
وسعت شکاف (فاصله ای که شکاف به زیر واشر یا داخل ورق لوله نفوذ می کند) میزان اکسیژن{0}}سطح خالی شده موجود برای انحلال آندی را تعیین می کند. شروع برای شکاف‌های عمیق‌تر تسریع می‌شود، زیرا آن‌ها دارای مناطق تخلیه‌شده اکسیژن بزرگ‌تر و مسیرهای انتشار طولانی‌تر برای عرض شکاف معین هستند.

برای عرض شکاف معین 0.1 میلی متر، زمان شروع از 300 ساعت به 100 ساعت کاهش می یابد زیرا عمق شکاف از 5 میلی متر به 20 میلی متر افزایش می یابد. در عمق 50 میلی‌متری، شروع در 40-50 ساعت انجام می‌شود. برای سرویس اواپراتور نمک از عمق شکاف بیش از 15 میلی متر خودداری کنید. اتصالات{12}}لوله به ورق لوله باید به گونه ای طراحی شود که دارای شکاف کم عمقی (عمق کمتر از 10 میلی متر) باشد یا در سراسر آن جوش داده شود تا شکاف از بین برود.

نفوذپذیری مواد واشر
مواد واشر از نظر نفوذپذیری در برابر اکسیژن و توانایی آنها در جذب آب نمک متفاوت است که هر دو بر شیمی شکاف تأثیر می گذارند. واشرهای غیر متخلخل و غیرقابل نفوذ (PTFE، PEEK، فلزی) مهر و موم محکمی ایجاد می کنند و اجازه انتشار اکسیژن از طریق خود واشر را نمی دهند، بنابراین تخلیه اکسیژن در شکاف را تسریع می کند. لاستیک نرم، EPDM، سیلیکون (واشرهای متخلخل و تراوا): مقداری اکسیژن می‌تواند از طریق بدنه واشر پخش شود تا شکاف را جایگزین کند و شروع به کندی کند.

مواد واشر مختلف مورد آزمایش قرار گرفتند (شکاف 0.1 میلی متر، عمق 10 میلی متر، نمک طعام اشباع شده در 50 درجه) و نتایج عبارتند از:

واشر PTFE (غیرقابل نفوذ) - شروع در 200{9}}300 ساعت. لاستیک EPDM (نفوذپذیری متوسط): شروع در 400-600 ساعت. لاستیک سیلیکونی (نفوذ پذیری بالا) 800 تا 1200 ساعت برای شروع. بدون واشر (تماس فلز به فلز، عملاً شکاف صفر، رابط متخلخل) شروع به کار در بیش از 2000 ساعت فقط با حمله متوسط.

مزیت-این است که واشرهای نفوذپذیر آب نمک را جذب کرده و متورم می‌شوند، که می‌تواند هندسه شکاف را در طول زمان تغییر دهد. سیلیکون و EPDM در مدت زمان طولانی (2 تا 5 سال) در آب نمک داغ تجزیه می شوند و نیاز به تعویض دارند.

گشتاور بستن و فشار تماس
فشار وارد شده بر واشر و رابط تیتانیوم تابعی از گشتاور مورد استفاده برای سفت کردن گیره است. گشتاور بیشتر به معنی مهر و موم های محکم تر است که به این معنی است که عرض شکاف موثر کاهش می یابد و اکسیژن کمتری پخش می شود. گشتاور کمتر (تحت محدودیت های آب بندی) منجر به شکاف موثر تا حدودی بیشتر می شود، بنابراین شروع شکاف کندتر می شود.

آزمایش یک واشر PTFE بر روی فلنج لوله با قطر 50 میلی متر با نمک طعام اشباع شده در 50 درجه نشان می دهد:

گشتاور 20 N·m (کم) فاصله موثر 0.15-0.20 میلی متر شروع 400-600 ساعت. گشتاور 40 نیوتن متر (استاندارد) فاصله موثر 0.08-0.12 میلی متر شروع 200-300 ساعت گشتاور 60 نیوتن متر (بالا): فاصله موثر 0.04-0.07 میلی متر، شروع 50-100 ساعت.

بهترین راه برای سرویس اواپراتور نمک استفاده از کمترین مقدار گشتاوری است که باعث آب بندی می شود، معمولاً 50 تا 60 درصد حداکثر پیشنهادی برای مواد واشر. این تکنیک شکاف موثر را بدون نشتی افزایش می دهد.

ماتریس برنامه طراحی شکاف برای اواپراتورهای نمک
مقدار ترجیحی پارامتر طراحی برای مکانیسم عمر طولانی مدت زمان مورد انتظار تا شروع شکاف (NaCl اشباع، 50 درجه)
Gap width >0.5 mm (or welded)Oxygen diffusion sustained >5000 ساعت (بدون حمله)
عرض شکاف (اگر<0.5 mm unavoidable) 0.20-0.30 mmReduces oxygen depletion 500-1000 hrs
عمق شکاف<10 mm Anode area limited 300-500 hours
مواد واشر EPDM یا سیلیکون (قابل نفوذ) واشر اکسیژن انتشار400 تا 1200 ساعت.
حداقل گشتاور گیره گشتاور آب بندی (50-60% حداکثر) فاصله موثر 2-3 برابر بیشتر از گشتاور بالا به حداکثر برسد
لوله مشترک-tubesheet جوش (نفوذ کامل) بدون حمله به شکاف (فقط سوراخ کردن) شکاف را حذف می کند
نکات کاربردی در مورد بخاری های اواپراتور نمک
در حوضچه‌های تبخیر نمک، بهترین طراحی برای لوله‌های گرمایش تیتانیومی، طرحی است که در آن همه شکاف‌ها با کوپلینگ‌های-لوله جوشی با نفوذ کامل-به-لوله‌ها از بین می‌روند. در مواردی که اتصالات جداشدنی مورد نیاز است، از یک واشر سوراخ دار یا آجدار برای حفظ جداسازی استفاده کنید و عرض شکاف 0.20 تا 0.30 میلی متر را مشخص کنید. به جای PTFE از واشرهای EPDM یا سیلیکونی (برای آب نمک 60 درجه درجه بندی شده) استفاده کنید تا از نفوذپذیری اکسیژن آن استفاده کنید. حداقل گشتاور گیره را اعمال کنید که از نشتی که با آزمایش حباب تعیین می شود جلوگیری می کند. فلنج ها را با فرورفتگی های کم عمق طراحی کنید تا عمق شکاف را به 10 میلی متر یا کمتر محدود کنید. این انتخاب های طراحی، زمان شروع شکاف را از 200-300 ساعت (واشر استاندارد PTFE، گشتاور بالا) به 2000-5000 ساعت قبل از نیاز به بازرسی یا 3-6 ماه کار مداوم افزایش می دهند. بازرسی های سالانه بخاری را برنامه ریزی کنید و هرگونه حمله اولیه شکاف را با پولیش سبک برای عملیات 24/7 حوضچه نمک تمیز کنید. برای کاربردهایی با دوره نگهداری 5 ساله، اتصالات جوشی ضروری است، حتی اگر هندسه بهینه شده باشد.